C语言线程间通信
C11 标准为线程间通信提供了条件变量(condition variable)。线程可以使用条件变量,以等待来自另一个线程的通知,通知告知了指定的条件已被满足。例如,这类通知可能代表某些数据已经准备好进行处理。
条件变量由类型为 cnd_t 的对象表示,并配合互斥一起使用。一般过程如下:线程获得互斥,然后测试条件。如果条件不满足,则线程继续等待条件变量(释放互斥),直到另一个线程再次唤醒它,然后该线程再次获得互斥,并再次测试条件,重复上述过程,直到条件满足。
头文件 threads.h 定义了使用条件变量的函数,它们如下所示:
初始化 cond 引用的条件变量。
释放指定条件变量使用的所有资源。
在等待指定条件变量的任意数量的线程中,唤醒其中一个线程。
唤醒所有等待指定条件变量的线程。
阻塞正在调用的线程,并释放指定的互斥。在调用 cnd_wait()之前,线程必须持有互斥。如果另一线程通过发送一个信号解除当前线程的阻塞(也就是说,通过指定同样的条件变量作为参数调用 cond_signal()或 cnd_broadcast()),那么调用 cnd_wait()的线程在 cnd_wait()返回之前会再次获得互斥。
与 cnd_wait()类似,cnd_timedwait()阻塞调用它们的线程,但仅维持由参数 ts 指定的时间。可以通过调用函数 timespec_get()获得一个 struct timespec 对象,它表示当前时间。
除 cnd_destroy()以外的所有条件变量函数,如果它们引发错误,则返回值 thrd_error,否则返回值 thrd_success。当时间达到限定值时,函数 cnd_timedwait()也会返回值 thrd_timedout。
例 1 与例 2 中的程序展示了在常见的“生产者-消费者”模型中使用条件变量。程序为每个生产者和消费者开启一个新线程。生产者将一个新产品(在我们的示例中,新产品为一个 int 变量)放入一个环形缓冲区中,假设这个缓冲区没有满,然后通知等待的消费者:产品已经准备好。每个消费者从该缓冲区中取出产品,然后将实际情况通知给正在等待的生产者。
在任一特定时间,只有一个线程可以修改环形缓冲器。因此,在函数 bufPut()和 bufGet()间将存在线程同步问题,函数 bufPut()将一个元素插入到缓冲区,函数 buf-Get()将一个元素从缓冲区移除。
有两个条件变量:生产者等待其中一个条件变量,以判断缓冲器是否满了;消费者等待另一个条件变量,以判断缓冲器是否空了。缓冲区的所有必需元素都包括在结构 Buffer 中。函数 bufInit()初始化具有指定大小的 Buffer 对象,而函数 bufDestroy()销毁 Buffer 对象。
【例1】用于“生产者-消费者”模型的环形缓冲区
例 2 中的 main()函数创建了一个缓冲区,并启动了若干个生产者和消费者线程,给予每个线程一个识别号码和一个指向缓冲区的指针。每个生产者线程创建一定数量的“产品”,然后用一个 return 语句退出。一个消费者线程如果在给定延时期间无法获得产品以进行消费,则直接返回。
【例2】启动生产者和消费者线程
条件变量由类型为 cnd_t 的对象表示,并配合互斥一起使用。一般过程如下:线程获得互斥,然后测试条件。如果条件不满足,则线程继续等待条件变量(释放互斥),直到另一个线程再次唤醒它,然后该线程再次获得互斥,并再次测试条件,重复上述过程,直到条件满足。
头文件 threads.h 定义了使用条件变量的函数,它们如下所示:
- int cnd_init(cnd_t*cond);
- void cnd_destroy(cnd_t*cond);
- int cnd_signal(cnd_t*cond);
- int cnd_broadcast(cnd_t*cond);
- int cnd_wait(cnd_t*cond,mtx_t*mtx);
- int cnd_timedwait(cnd_t*restrict cond,mtx_t*restrict mtx,const struct timespec*restrict ts);
除 cnd_destroy()以外的所有条件变量函数,如果它们引发错误,则返回值 thrd_error,否则返回值 thrd_success。当时间达到限定值时,函数 cnd_timedwait()也会返回值 thrd_timedout。
例 1 与例 2 中的程序展示了在常见的“生产者-消费者”模型中使用条件变量。程序为每个生产者和消费者开启一个新线程。生产者将一个新产品(在我们的示例中,新产品为一个 int 变量)放入一个环形缓冲区中,假设这个缓冲区没有满,然后通知等待的消费者:产品已经准备好。每个消费者从该缓冲区中取出产品,然后将实际情况通知给正在等待的生产者。
在任一特定时间,只有一个线程可以修改环形缓冲器。因此,在函数 bufPut()和 bufGet()间将存在线程同步问题,函数 bufPut()将一个元素插入到缓冲区,函数 buf-Get()将一个元素从缓冲区移除。
有两个条件变量:生产者等待其中一个条件变量,以判断缓冲器是否满了;消费者等待另一个条件变量,以判断缓冲器是否空了。缓冲区的所有必需元素都包括在结构 Buffer 中。函数 bufInit()初始化具有指定大小的 Buffer 对象,而函数 bufDestroy()销毁 Buffer 对象。
【例1】用于“生产者-消费者”模型的环形缓冲区
- /* buffer.h
- * 用于线程安全缓冲区的所有声明
- */
- #include <stdbool.h>
- #include <threads.h>
- typedef struct Buffer
- {
- int *data; // 指向数据数组的指针
- size_t size, count; // 元素数量的最大值和当前值
- size_t tip, tail; // tip = 下一个空点的索引
- mtx_t mtx; // 一个互斥
- cnd_t cndPut, cndGet; // 两个条件变量
- } Buffer;
- bool bufInit( Buffer *bufPtr, size_t size );
- void bufDestroy(Buffer *bufPtr);
- bool bufPut(Buffer *bufPtr, int data);
- bool bufGet(Buffer *bufPtr, int *dataPtr, int sec);
- /* -------------------------------------------------------------
- * buffer.c
- * 定义用于处理Buffer的函数
- */
- #include "buffer.h"
- #include <stdlib.h> // 为了使用malloc()和free()
- bool bufInit( Buffer *bufPtr, size_t size)
- {
- if ((bufPtr->data = malloc( size * sizeof(int))) == NULL)
- return false;
- bufPtr->size = size;
- bufPtr->count = 0;
- bufPtr->tip = bufPtr->tail = 0;
- return mtx_init( &bufPtr->mtx, mtx_plain) == thrd_success
- && cnd_init( &bufPtr->cndPut) == thrd_success
- && cnd_init( &bufPtr->cndGet) == thrd_success;
- }
- void bufDestroy(Buffer *bufPtr)
- {
- cnd_destroy( &bufPtr->cndGet );
- cnd_destroy( &bufPtr->cndPut );
- mtx_destroy( &bufPtr->mtx );
- free( bufPtr->data );
- }
- // 在缓冲区中插入一个新元素
- bool bufPut(Buffer *bufPtr, int data)
- {
- mtx_lock( &bufPtr->mtx );
- while (bufPtr->count == bufPtr->size)
- if (cnd_wait( &bufPtr->cndPut, &bufPtr->mtx ) != thrd_success)
- return false;
- bufPtr->data[bufPtr->tip] = data;
- bufPtr->tip = (bufPtr->tip + 1) % bufPtr->size;
- ++bufPtr->count;
- mtx_unlock( &bufPtr->mtx );
- cnd_signal( &bufPtr->cndGet );
- return true;
- }
- // 从缓冲区中移除一个元素
- // 如果缓冲区是空的,则等待不超过sec秒
- bool bufGet(Buffer *bufPtr, int *dataPtr, int sec)
- {
- struct timespec ts;
- timespec_get( &ts, TIME_UTC ); // 当前时间
- ts.tv_sec += sec; // + sec秒延时
- mtx_lock( &bufPtr->mtx );
- while ( bufPtr->count == 0 )
- if (cnd_timedwait(&bufPtr->cndGet,
- &bufPtr->mtx, &ts) != thrd_success)
- return false;
- *dataPtr = bufPtr->data[bufPtr->tail];
- bufPtr->tail = (bufPtr->tail + 1) % bufPtr->size;
- --bufPtr->count;
- mtx_unlock( &bufPtr->mtx );
- cnd_signal( &bufPtr->cndPut );
- return true;
- }
例 2 中的 main()函数创建了一个缓冲区,并启动了若干个生产者和消费者线程,给予每个线程一个识别号码和一个指向缓冲区的指针。每个生产者线程创建一定数量的“产品”,然后用一个 return 语句退出。一个消费者线程如果在给定延时期间无法获得产品以进行消费,则直接返回。
【例2】启动生产者和消费者线程
- // producer_consumer.c
- #include "buffer.h"
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- #define NP 2 // 生产者的数量
- #define NC 3 // 消费者的数量
- int producer(void *); // 线程函数
- int consumer(void *);
- struct Arg { int id; Buffer *bufPtr; }; // 线程函数的参数
- _Noreturn void errorExit(const char* msg)
- {
- fprintf(stderr, "%s\n", msg); exit(0xff);
- }
- int main(void)
- {
- printf("Producer-Consumer Demo\n\n");
- Buffer buf; // 为5个产品创建一个缓冲区
- bufInit( &buf, 5 );
- thrd_t prod[NP], cons[NC]; // 线程
- struct Arg prodArg[NP], consArg[NC]; // 线程的参数
- int i = 0, res = 0;
- for ( i = 0; i < NP; ++i ) // 启动生产者
- {
- prodArg[i].id = i+1, prodArg[i].bufPtr = &buf;
- if (thrd_create( &prod[i], producer, &prodArg[i] ) != thrd_success)
- errorExit("Thread error.");
- }
- for ( i = 0; i < NC; ++i ) // 启动消费者
- {
- consArg[i].id = i+1, consArg[i].bufPtr = &buf;
- if ( thrd_create( &cons[i], consumer, &consArg[i] ) != thrd_success)
- errorExit("Thread error.");
- }
- for ( i = 0; i < NP; ++i ) // 等待线程结束
- thrd_join(prod[i], &res),
- printf("\nProducer %d ended with result %d.\n", prodArg[i].id, res);
- for ( i = 0; i < NC; ++i )
- thrd_join(cons[i], &res),
- printf("Consumer %d ended with result %d.\n", consArg[i].id, res);
- bufDestroy( &buf );
- return 0;
- }
- int producer(void *arg) // 生产者线程函数
- {
- struct Arg *argPtr = (struct Arg *)arg;
- int id = argPtr->id;
- Buffer *bufPtr = argPtr->bufPtr;
- int count = 0;
- for (int i = 0; i < 10; ++i)
- {
- int data = 10*id + i;
- if (bufPut( bufPtr, data ))
- printf("Producer %d produced %d\n", id, data), ++count;
- else
- { fprintf( stderr,
- "Producer %d: error storing %d\n", id, data);
- return -id;
- }
- }
- return count;
- }
- int consumer(void *arg) // 消费者线程函数
- {
- struct Arg *argPtr = (struct Arg *)arg;
- int id = argPtr->id;
- Buffer *bufPtr = argPtr->bufPtr;
- int count = 0;
- int data = 0;
- while (bufGet( bufPtr, &data, 2 ))
- {
- ++count;
- printf("Consumer %d consumed %d\n", id, data);
- }
- return count;
- }